如何以全模拟控制的降压和升压转换器实现输出稳压

可使用同一款单片机实现纯模拟控制的同步降压型电源和升压型电源,从而实现输出稳压。两种方案拥有一个共同的优点,即不占用任何处理器资源,这样内核就可以全力满足更为复杂的固件的需求。同时,模拟回路能够更快速地响应负载阶跃和输入电压变化,这对于不少应用而言是非常有用的。

本文讨论的单片机为 Microchip 旗下的 PIC16F753。无论是降压还是升压转换器其所需的外设集是相同的:互补输出发生器、比较器、运算放大器、9 位模数转换器、固定参考电压、斜率补偿模块,以及捕捉和比较 PWM 模块。上述外设应通过固件实现内部连接,以减少所需的外部引脚数。

电路图

降压转换器的输入电压范围为 8 至 16V DC,输出端为 5V DC、2A 和 10W。代码大小105 个字,RAM 容量 0 字节,可用代码大小 1943 字,可用 RAM 容量 128 字节。2A 条件下测定的效率为 94%。

如何以全模拟控制的降压和升压转换器实现输出稳压

图1:降压电源框图

图1所示的是一个同步降压电源框图。此处输出电压使用峰值电流模式控制进行稳 压,并使用误差运算放大器(OPA)来与参考电压进行比较。然后将结果输入到峰 值电流比较器中。内部斜率补偿模块会从误差放大器输出值中先减去一个软件可编 程斜率,再输入到峰值电流比较器。CCP捕捉和比较PWM模块提供一个具有固定频率 和固定占空比的控制信号,而峰值电流比较器输出会被选为互补输出生成器(COG) 下降沿的另一个(分级)源。

升压转换器有着相同的工作原理,图2所示即其原理框图。不过在参数规格上略有不同。具体来说,升压转换器的输入电压范围为3至5V DC,而输出端和RAM容量与降压转换器相同。代码大小99字,可用代码大小1949字。2A条件下测定的效率为87%。

如何以全模拟控制的降压和升压转换器实现输出稳压

图2:升压转换器框图

工作原理

配置完外设并将它们连接在一起后,控制环路会自动运 行,无需占用处理器时间。占空比超过50%时,峰值电流控制方案需要斜率补偿以 防止振荡。占空比较低时, 如果电流检测电阻较小,斜 率补偿还有助于稳定控制环路。PIC16F753具有一个内部斜率补偿模块,将误差放大器输出馈送至峰值电流 比较器之前,可利用此模块从该输出中减去一个可编程 的斜坡。

对于同步开关电源,晶体管控制信号需要一个较小的死区来避免产生直通电流。
COG可根据振荡器频率或模 拟延时链生成此信号。利用模拟延时链,用户可设置一个分辨率为5 ns的死区,该死区非常适合小晶体管。 针对此特定应用,将死区设置为30 ns。

对于降压拓扑,电感电流等于负载电流。为了能够使用下桥臂电流检测电阻来测量 峰值电感电流,需要进行一些修改。通常情况下,电流检测电阻得到的是峰值 电流控制方案无法使用的滤波输出电流。通过电流检测 电阻将输出电容接地后,ESR 会增大,但生成的波形与电感电流波形非常相近。这种方法的缺点在于效率略 低, 但上桥臂电流检测电阻通常需要附加电路(电流镜 或专用IC),而这会增加成本。

而在升压拓扑结构中,电感电流等于输入电流。电感峰值电流由放置在晶体管源极和地之间的电阻直接测量。

输入和输出

控制环路中没有集成输出电流限制功能,因此应使用第二个比较器并将其选作COG 的自动关断源。误差放大器输出即为电感峰值电流限值,因此通过电阻分压器使该值保持为较低值有助于避免浪涌电流问题和灾难性 的短路状态。但是,这种方法的缺点在于系统增益的降低以及对瞬态的响应变慢。OPA输出引脚与斜率补偿 模块输入引脚相同,因此这两个外设可以一起使用,无需任何其他外部连接。如果使用电阻分压器限制OPA输出电压,则必须将其从外部连接到FVR缓冲器输入引脚。

升压转换器的输入电压应通过小型二极管连接至单片机,并自举到输出端。这样, 当输出电压上升时,它就会为单片机和MOSFET驱动器供电。这实现了效率的提升, 因为更高的VGS将会改善RDS(ON),而低于4.5V的间隔对大多数功率晶体管而言都是一个问题。同时,这使得FVR成为唯一现有的稳定参考电压,而电路也需要做出一些改变以确保回路的参考电压永远不受电源或输出电压影响。由于控制回路的参考电压来自于DAC,因而这一外设也需要一个稳定的基准。1.2V的FVR被选作DAC参考电压,可满足上述所有要求。

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